Ajattelun, muistin ja oppimisen psykologisista ilmiöistä ei ole vielä mahdollista antaa täydellistä fysiologista selitystä. Uskotaan, että ajattelu perustuu monimutkaisiin fysiologisiin prosesseihin, jotka liittyvät hermoimpulssien etenemiseen tiettyjä aivoreittejä pitkin. On mahdollista, että tämä tai tuo ajatus liittyy hermoimpulssien kulkemiseen suljettua hermopiiriä pitkin.
Tällainen piiri voi sisältää puolesta tusinasta useisiin satoihin tai useampia hermosoluja, ja se voidaan aktivoida joko aistiimpulsseilla tai aivoissa spontaanisti syntyvillä impulsseilla. Tämän teorian mukaan ajatukset muuttuvat, kun hermoimpulssit kulkevat erilaista "kaikuttavaa" piiriä, jonka muodostaa erilainen neuroniryhmä. Muistot ovat ajatuksia, jotka ilmaantuvat jonkin aikaa (mitataan minuutteina, kuukausina tai vuosina) näiden ajatusten alkuperäisen esiintymisen jälkeen ja jotka näyttävät johtuvan impulssien uudelleenkierteestä hermopiirissä.
On ehdotettu, että impulssien jatkuva kulkeminen tietyn piirin synapsien poikki johtaa vastuksen laskuun näissä synapseissa ja lisää piirin kykyä johtaa hermoimpulsseja. Oppimisprosessi voi sisältää tietyn hermopolun toistuvan käytön, mikä lopulta johtaa merkittävään synaptisen vastuksen vähenemiseen. Viime vuosina on oletettu, että muisti liittyy RNA-synteesiin ja että jokainen muistettu tapahtuma on koodattu keskushermostossa spesifisten RNA:n nukleotidisekvenssien avulla.
Mielenkiintoisia korrelaatioita on löydetty RNA:n vaihtuvuuden ja hermotoiminnan välillä, mutta muistin fysiologinen ja biokemiallinen perusta on edelleen epäselvä. Jotkut kokeet, kuten ne, joissa eläimet oppivat navigoimaan sokkelossa saadakseen ruokaa tai välttääkseen sähköiskuja, ovat korostaneet yrityksen ja erehdyksen merkitystä oppimisessa. Korkeammissa nisäkkäissä - apinoissa ja ihmisissä - löydämme myös "ymmärryksen" tai "idean" syntymisen.
Muutaman satunnaisen kokeilun jälkeen koehenkilö ymmärtää ongelman ratkaisun olemuksen ja ratkaisee sen sitten jatkuvalla menestyksellä. Tunnelmia ja tunteita. Aivokuoren toiminnasta riippuvat myös ilmiöt, kuten mielialat ja tunteet sekä persoonallisuus yleensä, mutta taustalla olevia hermomekanismeja ei ole selvitetty.
Näihin ilmenemismuotoihin, samoin kuin muihin korkeampien aivokeskusten toimintaan, vaikuttaa voimakkaasti kehon fysiologinen tila; Vatsan tila voi vaikuttaa dramaattisesti psyyken tilaan. Erilaisten endokriinisten rauhasten hormonit vaikuttavat myös aivojen toimintaan; esimerkiksi monet naiset kokevat masennusjaksoja juuri ennen kuukautisia ja niiden aikana, ja vaihdevuodet (kuukautiskierron loppuminen, yleensä 40–50-vuotiaana) liittyy hyvin usein syviin tunne- ja mielenhäiriöihin.